Разработка высокопроизводительного программного средства для моделирования сигналов плотностного гамма-гамма каротажа Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.415.25

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ПЛОТНОСТНОГО ГАММА-ГАММА КАРОТАЖА

Павел Анатольевич Сантаев

Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирого-ва, 2, студент 2-го курса магистратуры, тел. (913)906-69-94, e-mail: santaevp@gmail.com

Александр Александрович Власов

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (923)221-31-13, e-mail: VlasovAA@ipgg.sbras.ru

Марат Шаукатович Урамаев

ООО «Энергозапас», 630117, Россия, г. Новосибирск, ул. Арбузова, 4/26, тел. (923)177-70-27, e-mail: uramaevmsh@gmail.com

В работе представлено высокопроизводительное программное средство для моделирования сигналов плотностного гамма-гамма каротажа в скважине. Полученные расчеты моделирования классического прибора гамма-гамма каротажа плотности в открытом стволе с учетом эксцентриситета верифицированы путем сравнения с результатами моделирования в Geant4.

Ключевые слова: статистический метод Монте-Карло, моделирование переноса гамма-квантов, ядерная скважинная геофизика.

DEVELOPMENT OF HIGH PERFORMANCE SOFTWARE TOOLS FOR SIMULATION SIGNAL OF GAMMA-GAMMA DENSITY LOGGING

Pavel A. Santaev

Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogov St., master student, tel. (913)906-69-94, e-mail: santaevp@gmail.com

Alexander A. Vlasov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Research Scientist, tel. (923)221-31-13, e-mail: VlasovAA@ipgg.sbras.ru

Marat Sh. Uramaev

Energozapas Ltd., Russia, 630117, Novosibirsk, 4/26 Arbuzov St., tel. (923)177-70-27, e-mail: uramaevmsh@gmail.com

This paper presents the high performance software tool for simulation of signal of gamma-gamma density logging device in a borehole. The simulation of classical gamma-gamma density logging device in borehole, taking into account the eccentricity verified by comparing with the simulation results of Geant4.

Key words: Monte-Carlo statistic method, simulation of passage of gamma-rays, nuclear borehole geophysics.

В настоящее время MCNP и Geant4 являются наиболее популярными универсальными программными средствами для моделирования переноса излучения. Эти пакеты разработаны для наиболее точного моделирования процесса распространения частиц. С помощью этих программ можно получать максимально возможное соответствие с экспериментальными данными, что важно при анализе свойств конструкций новых приборов. Но для геофизических исследований скважин использование MCNP или Geant4 не будет эффективным из-за большого количества накладных вычислений. Цель работы: повышение скорости моделирования сигналов ядерной геофизической аппаратуры путем упрощения геометрической модели и применения распределенных вычислений.

Разработанное программное средство MTNG способно моделировать прохождение отдельно взятого гамма-кванта через вещество при помощи статистического метода Монте-Карло [1]. Учитывает комптоновское рассеяние и фотоэффект. Виртуальный мир или сцена, в котором моделируется гамма квант, состоит из составных и/или примитивных (простых) геометрических фигур. В данный момент реализованы следующие фигуры: цилиндр, сфера, пересечение фигур, объединение фигур, исключение фигур. Мир, который моделируется, состоит из множества объектов. Каждый объект может состоять из множества других объектов и должен состоять из определенного материала.

Также в программе реализованы вычисление длины свободного пробега гамма-квантов в среде, обработка взаимодействий гамма-квантов со средой, источники излучения. Схема моделирования взаимодействий гамма-кванта описана в [2]. Для расчета длины свободного пробега в среде нужно задать плотность среды и макроскопическое сечение, которые были взяты с сайта национального института стандартов и технологий [3]. Программа считывает макроскопические сечения для каждого материала из файла, который содержит сечения для взаимодействий: комптоновского рассеяния, фотоэффекта, рождения пар, рэлеевского рассеяния.

Для проверки правильности работы созданной программы были проведены эксперименты: вычисление пространственного распределения гамма в однородной среде и неоднородной среде в программных средствах MTNG и Geant4, моделирование разработанных геометрических фигур и сравнение с Geant4.

Кроме разработки программы было проведено моделирование классического прибора гамма-гамма каротажа плотности (ГГКП) с учетом эксцентриситета. В качестве простейшей геометрии «классического» прибора были взяты два детектора диаметром 2 см, расположенные на расстоянии 20 см и 30 см от источника. Пространство между детекторами (а также детектором и источником) заполнено абсолютно поглощающим черным телом (при попадании гамма кванта в эту область траектория прекращалась, что соответствует конечному поглощению частицы). Схема детектора в скважине показана на рис. 1. Во всех экспериментах по моделированию скважина имитировалась водой с плотностью 1 г/см3, минеральный состав пласта определялся различным процентным соотношением SiO2 и H2O (имитация пористостью), материал детекторов - Nal. Также этот эксперимент был вычислен в Geant4 для плотности пласта 2,65 г/см3.

Сравнение результатов моделирования с плотностью пласта 2,65 г/см3 в МТКО и ОеаП:4 представлено на рис. 2. В данной диаграмме показана зависимость отношения показания ближних и дальних детекторов и счета детектора от эксцентриситета.

Рис. 1. Схема моделирования классического прибора ГГКП

Рис. 2. Сравнение результатов моделирования ГГКП с МТОО и ОеаП:4

Также этот эксперимент моделировали с изменяемым эксцентриситетом и плотностью (состав) пласта. Эксцентриситет варьируется с 0 до 5 см с шагом 1 см, а состав с 0 % воды (остальное песок) до 30 % воды с шагом 5 %. Резуль-

татом моделирования является палетка для определения пласта и эксцентриситета, которая представлена на рис. 3.

СЗ H <D F О <D S

я

<D

a

о

к

ь

О

2.00Е-01 1.80Е-01

g 1.60Е-01

Он

О

У 1.40Е-01

и

н

^ 1.20Е-01

1.00Е-01

8.00Е-02

* У

s-r

г ^^ ** У

/ ^ J / /

/

— х = 0

— х — 1 х = 2

— х = 3

— х = 4 х = 5

- 1,855 -2,2525

- 2,65

1.00Е-05 3.00Е-05 5.Q0E-05 7.00Е-05 9.00Е-05 1.10Е-04 1.30Е-04 1.50Е-04

Показания короткого зонда

Рис. 3. Палетка для определения плотности пласта и эксцентриситета

Для сравнения скорости в MTNG и Geant4 были вычислены время вычисления количества пересечений концентрических сфер, расположенных вокруг точечного изотропного источника в однородной среде. По результатам моделирования 10 млн траекторий разработанная программа быстрее примерно в 10 раз, чем Geant4. Средняя скорость моделирования одной траектории в MTNG составляет 38,3 мкс. Такая скорость моделирования достигается за счет упрощенной геометрической и физической модели. Моделирование проводилось на компьютере с процессором Intel Xeon X5660 и с 20 Гб оперативной памятью.

Время моделирования можно увеличить за счет переноса вычислений на графические процессоры. Ожидаем, что прирост производительности при переносе составит примерно 2 порядка.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Войтишек А.В. Основы метода Монте-Карло: учеб. пособие. - Новосибирск, 2010. -

108 с.

2. Панин М.П. Моделирование переноса излучения: учеб. пособие. - М.: МИФИ, 2008. - 212 с.

3. XCOM: Photon Cross Sections Database [Электронный ресурс] // Site of The National Institute of Standards and Technology: [сайт]. [2017]. URL: https://www.nist.gov/pml/xcom-photon-cross-sections-database (дата обращения: 20.02.2017).

© П. А. Сантаев, А. А. Власов, М. Ш. Урамаев, 2017